N-Type과 P-Type 반도체

N-Type, P-Type 반도체의 성질

 

  절연체 특성이 있는 단원자인 순수반도체는 그 자체만으로는 의미가 없으므로 순수반도체를 응용하여 원하는 기능을 수행하는 소자를 만들어야 하고, 원하는 타겟에 따라 컨트롤 되어야 하는데, 이런 장비는 일정한 방향의 전기적 특성을 지녀야 컨트롤할 수 있으므로, 전기소자적 기능을 가능하게 하려고 불순물을 투입하는 화학적 치환을 한다. 이렇게 해서 만든 전기소자들로는 N-Type 반도체와 P-Type 반도체가 있다. N-Type은 negative type을 의미하고, P-Type은 positive type의 첫 글자로서, negative는 음전하인 전자에서 왔고 positive는 양전하인 정공을 뜻한다. 모든 반도체의 기본은 N-Type과 P-Type의 조합으로 구성되므로, N-Type과 P-Type의 생성과정과 이들 내부에서의 캐리어의 활동 및 에너지 관계를 이해해야 반도체의 기초 개념을 정립할 수 있다.

  전기 장치란, 외부에서 전압을 가하면, 내부에서 음전하 혹은 양전하가 발생되어 통제될 수 있는 전류가 흐르는 소자를 의미한다. 이것이 가능한 이유는 처음부터 아무 동작도 발생되지 않는 순수한 물질인 실리콘에 인위적으로 계산된 5족, 3족 물질들을 첨가하여, 예측 가능한 동작을 일으키도록 하는 것이므로 input과 output 관련 인과관계의 연결고리만 알면, 반도체의 특성을 이해하고, 비록 미시 세계 전자들의 움직이지만, 통제된 동작을 하는 반도체로 만들 수 있게 된다.

  지구 상에서는 산소 다음으로 많은 원소가 규소인데, 규소의 단일 결정은 원자와 원자 간에 공유결합되어 있어서 최외곽 전자를 떼어내는 데, 많은 에너지가 필요하지만, 5족 원소를 주입하여 만든 N-Type의 잉여전자는 작은 에너지를 가해도 떼어낼 수 있다. 원자에서 떨어져 나온 잉여전자는 마치 금속 내의 자유전자와 유사하게 동작하는 성질을 가진다. 금속 내의 자유전자를 통제하는 변수는 외부에서 가해주는 전위차와 금속 자체의 저항성분으로 통제수단이 극히 제한적이지만, 반도체는 통제할 수 있는 변수들이 금속과 비교하면 다양하므로, 반도체는 특성이 도체와 비교하면 복잡함에도 불구하고, 의도하는 목적에 맞추어 자유자재로 활용될 수 있는 장치가 되었다.

 

 

<일반적인 반도체의 최소 단위>

 

 

N-Type 반도체

 

  Intrinsic 실리콘에 불순물을 강제로 넣는 것을 불순물 doping이라고 말한다. Doping을 하는 목적은 전도도를 높여 저항을 낮추기 위함이다. 이때 Doping 상태에 따라 intrinsic 레벨에 있던 페르미 레벨이 N-Type인 경우는 전도대에 가까이, 농도에 비례하여 이동한다. 5족 원소를 도핑 하면, 최외곽 전자가 총 5개가 있어서 그중 4개는 4개 방향에서 4개의 실리콘 원자와 각각 1개씩의 전자를 내놓고 최외곽 전자의 총 개수가 8개로 공유결합을 하고, 나머지 전자 1개는 공유결합을 하지 못하고 잉여전자가 된다. 이 잉여전자는 공유결합한 상태도 아니고, 다른 원자에 공통으로 붙어있는 상태도 아닌, 단지 최외곽 전자껍질 레벨에서 연결되어 있는, 결합 측면에서 튼튼하지 못한 불안정한 상태에 있게 된다. 이처럼 4족 원자와 5족 원자가 공유결합하여 전자 1개가 남게 되는 구조를 갖는 형태를 N-Type 반도체라 한다.

 

 

 

P-Type 반도체

 

  Dopant로 5족 원소 대신 3족 원소를 주입하면, 공유결합 메커니즘은 N-Type과 같지만, 최외곽 껍질 전자의 공유 상태를 보면, 3족 원소를 투입하였으므로 최외곽 전자를 모두 공유하고도 8개가 되려면 1개가 부족하다. 실리콘 원자 입장에서는 최외곽 전자 4개를 모두 공유결합용 전자로 내놓았음에도 불구하고, 전자가 총 7개밖에 결합하지 못한 상태가 되어 실리콘은 전자 1개를 손해 본다. 이렇게 전자 1개가 부족한 3족 원자와 4족 원자가 공유결합한 구조상태를 P-Type 반도체라 한다.

  이런 상황에서도 각각의 모든 원자 입장에서는 전기적으로 볼 때, 전자를 얻거나 혹은 잃거나 한, 부족한 상태가 아니므로 중성 상태이다. 이때, 공유결합 측면에서 1개 전자가 부족한 상태를 정공이라 하는데, 주변에 돌아다니는 전자 하나를 끌어다 최외곽 전자로 총 8개를 채워, 화학적으로 안정적인 결합상태를 유지하려는 경향을 가진다. 이렇게 하여, 정공을 포함한 P-Type 반도체는 전자를 끌어들이는 성질을 갖고 있으므로 acceptor라 이름 붙였고, 다수 캐리어로 정공을 활용하기 위하여 의도적으로 3족 원소를 주입한다. 따라서 P-Type 반도체에서는 N-Type 반도체와는 반대로 다수 캐리어가 정공이 되고, 소수 캐리어가 전자가 된다. 그러나 실질적으로는 정공이 움직이는 것이 아니라 전자가 정공에 들어가는 메커니즘이다.